基于生态-经济分析的多目标农牧结合优化模型

基于生态-经济分析的多目标农牧结合优化模型

1构建高效的种养平衡一体化生产模式近年来，由于缺乏科学规划和环境问题的关注，注重利益相关者的利益。规模化养殖业的无序发展导致大量畜禽粪污排入水体和农田,而耕地却盲目施用化肥;另一方面,大量作物秸秆在农田焚烧,而养殖业在枯草期却面临粗料紧缺。这些现象都说明当前种养资源配置已严重脱节,资源循环利用效率低下,必须建立高效的种养平衡一体化生产模式。然而实现种养平衡光靠经验是不够的,必须根据各类作物和畜禽的特点,科学配置种养资源。在以前的种养结合模式优化研究中,往往以经济效益最高为目标,生态指标因其难于量化处理,常被置于约束条件中,因而忽视了其生态效益,直接影响到系统的可持续发展。通过分析种养子系统之间废弃物利用的养分循环过程,根据养分供需平衡关系,确定秸秆到畜禽养殖和畜禽粪便到农田施用过程中对应的不同作物基于家畜单位的环境承载力,在此基础上进行种养结合模式优化研究,将作物的秸秆纳畜量和农田载畜量作为生态效益量化指标与纯收入最高的经济效益指标相结合,把种养结构优化作为多目标问题来处理,并增加了生态平衡约束,最大限度地满足环境可接受性及可行性。实践证明该模型能很好地耦合农牧系统,在经济利益最大化的同时提高耕地对畜禽粪便的承载力和耕地提供畜禽草料的承载力,实现废弃物资源利用最大化的同时保证环境影响的最小化。2环境承载力与生态循环现代循环农业模式所产生的生态效益是不可忽视的,主要体现在减少化肥使用量、培肥耕地土壤、保护环境等方面。为了能够定量化衡量系统的生态效益,应以环境承载力作为衡量人类社会经济与环境协调程度的标尺。环境承载力是指维持人与自然环境之间和谐的前提下,环境所能够承受的人类活动的阈值。对于种养结合循环模式而言,环境承载力主要指以下两方面:一方面是农田系统能够消纳畜禽粪污的能力,另一方面是农田系统中作物秸秆所能提供畜禽草料的能力。从这两方面出发针对各类作物和畜禽的特点,定义了基于家畜单位标准的作物农田秸秆载畜量和作物农田纳畜量。2.1地载畜禽量标准作物秸秆作为粗饲料资源提供给养殖场,由养殖过程消纳角度考虑,作物秸秆提供量不能超过养殖场的承载力,一旦“超载”,过多的秸秆仍无法处理,田间焚烧仍会导致环境污染。为了衡量农田系统所能提供畜禽草料饲料的能力,考虑到不同作物秸秆的营养含量不同,基于作物秸秆营养含量和畜禽营养的需求,建立家畜单位标准的作物秸秆载畜量单位。参照草地载畜量标准,将作物的秸秆载畜量定义为:作物在单位农田种植面积下,周年内实际收获的作物副产品/废弃物(秸秆、藤、蔓等),能够满足家畜正常生长发育、繁殖情况下所能饲养家畜的最大数量。采用消化能为指标来评价作物的秸秆载畜量,为了便于比较,通常将各种存栏家畜统一为标准羊单位。根据畜禽生长养分需要量和作物秸秆养分提供量关系,定义作物的秸秆载畜量公式如下:式(1)中:Z—单位面积农田,种植作物在生长周期内收获的作物副产品/废弃物,满足家畜正常生长发育、繁殖情况下所能饲养的羊单位数,单位为羊单位/公顷·年;w—作物单位种植面积一季所能实际收获的秸秆量,单位为kg/公顷·季;g—作物秸秆的消化能含量,单位为兆焦/kg;Gs—标准羊的年均消化能需求量,单位为兆焦/头·年。P—畜禽所需营养由秸秆提供的比例,%。不同家畜单位之间可以进行换算,建立统一的作物秸秆载畜量换算标准,以一头标准成年羊一年消化能的需求总量作为换算标准,即1标准羊当量,算出其他畜禽一年消化能的需求量与1标准羊一年消化能的需求量的比值,即为相应的作物秸秆载畜量转换系数,进一步算得作物秸秆载畜量当量。2.2农田纳依托量的确定畜禽粪便作为有机肥提供给种植业,从农田消纳的角度考虑,由于果园、稻田、菜地等对有机肥的需求量不同,为了得到其合理的粪便用量,就必须针对不同作物种植模式研究农田的畜禽粪便环境承载力,防止畜禽养殖场附近土壤严重“超载”、养分失调甚至污染。为了衡量农田消纳畜禽粪便的能力,基于作物养分需求和畜禽粪便养分排放量建立家畜单位标准的作物农田纳畜量单位。定义作物的农田纳畜量为:作物在单位农田种植面积下,周年内所能消纳的畜禽粪便量对应的通常营养水平和饲养条件下承载家畜最大数量。考虑到中国土壤缺钾状况严重,仅考虑氮磷养分作为衡量农田纳畜量的指标,根据养分木桶效应,即作物最小的养分需求量决定畜禽粪便使用量的原则,选择基于作物氮磷养分需求比例的最大农田纳畜量,作为最终农田匹配的畜禽养殖规模。为了便于比较,同样将各种存栏家畜统一为标准羊单位。参照畜禽粪便还田技术标准中在不具备田间试验和土肥分析化验条件下施肥量的确定方法,定义农田纳畜量的计算公式如下:式(2)中:N—作物在单位农田种植面积下,周年内所能消纳的畜禽粪便量对应的中等营养水平和饲养条件下饲养家畜最大数量,单位为羊单位/公顷·年;A—预期单位面积产量下作物需要吸收的营养元素的量,单位为kg/公顷;s—标准羊单位每只存栏畜禽的粪便养分年产量,单位为kg/头·年;p—由施肥创造的产量占总产量的比例,可参照文献附录A中表A.2和A.3选取,%;r—畜禽粪便养分的当季利用率,因土壤理化性状、通气性能、湿度、温度等条件不同,一般在25%~30%范围内变化,故当季吸收率可在此范围内选取或通过田间试验确定,%;f—当地农业生产中,施于农田中的畜禽粪便的养分含量占施肥总量的比例,%。其中A参数由以下公式确定:式(3)中,y为作物预期单位面积产量,单位为kg/公顷;a为作物形成100kg产量吸收的营养元素的量,单位为千克。主要作物a值参照标准附录A中表A.1,不同作物、同种作物不同品种及地域因素等导致作物形成100kg产量吸收的营养元素量各不相同,a值的选择应以地方农业管理、科研部门公布的数据为准。3优化收养结构的模型建设3.1养殖业结构和存养量本研究主要针对秸秆和畜禽粪便综合利用模式下的农牧结合系统种养结构优化。种植业以农田作物种植面积作为决策变量,养殖业结构则由各畜禽种类的存养量来确定。决策变量集公式为:式(4)中:X1i和X2j分别代表种植业和养殖业;X1i—种植业中第i种作物的种植面积,i=1,…,n;X2j—畜牧业中第j中畜禽的存养量,j=1,…,m,m=m1+m2(m1为耗粮畜禽种类数,m2为节粮畜禽种类数)。3.2有林业和养殖业,第三级目标函数种养结合生态系统的设计模式应该多目标统筹兼顾,即要求经济效益、生态效益和社会效益的协调统一,总体效益最佳。因此在目标确定中,既要考虑各产业必须达到的经济效益,更要兼顾生态指标,为此分别设立经济目标函数和生态目标函数。(1)经济目标函数。该目标函数用各产业的经济纯收益之和表示,即单位面积净产值与总种植面积之积,因此有种植业和养殖业纯收入最高的目标函数为:式(5)中,NM1i表示种植业中第i个决策变量的单位净产值,NM2j表示畜牧业中第j个决策变量的单位净产值。(2)生态目标函数。以环境承载力作为衡量人类社会经济与环境协调程度的标尺,不同的土地利用类型是决定环境承载力的最主要因素。在相同的土壤条件下,不同类型的作物对养分的需求量不同,畜禽粪污的承载力也会有所不同;不同类型的作物秸秆的养分含量不同,提供畜禽草料的承载力也会有所不同。土地利用结构决定其畜禽粪污和畜禽草料承载力的大小,必须使得耕地能最大限度地消纳当地的畜禽粪便,同时提供尽可能多的秸秆饲料满足当地畜禽养殖需求,减少系统外部输入、节约成本。因此有作物的秸秆载畜量和农田纳畜量最大的目标函数:式(6)中,Z1i表示种植业中第i种作物基于家畜单位的秸秆载畜量;N1i表示种植业中第i种作物基于家畜单位的农田纳畜量。3.3存养量的约束(1)资源约束。可利用种植总面积约束,M为最大可利用种植面积,则(2)社会需求约束。考虑到社会和实际生产需求,需要对各类作物的种植面积及畜禽的年均存养量有一个约束下限或约束上限,则:(3)生态平衡约束。在最大化耕地对畜禽粪便的承载力和耕地提供畜禽草料能力的同时,还必须保证生态平衡,最大限度地满足环境可接受性及可行性,保证粪便全部还田和秸秆全部饲喂畜禽,将它们作为约束条件,具体如下:秸秆全部被草食畜禽养殖所消纳:畜禽粪便全部还田:其中,m为养殖业畜禽种类数目,m2为其中的节粮畜畜禽种类数目,为节粮畜禽计算作物的秸秆载畜量时的家畜单位折算系数,则为计算作物的农田纳畜量时的家畜单位折算系数。4建立模型及求解问题的确定将上述模型应用于江苏省农科院动物科学基地产业结构优化调整中。动物基地的主要内容是形成一个“肉用羊、生猪养殖—废弃物生产沼气—(沼气发电——生产、加工)沼液、沼渣肥田—优质种植业产品生产—农作物秸秆喂羊”的物质能量大循环,从而构建起以科技为支撑的现代循环农业生产经营体系。基地围绕肉用羊、生猪养殖确定种植业结构,将标准无公害特色作物种植从传统的稻、麦、油菜改为鲜食玉米或甘薯等经济效益高、饲料质量好的作物,同时考虑到蔬菜地复种指数高且每公顷每季的养分移走量高于大田作物地和园地,特设无公害设施蔬菜种植,以提高土地对粪肥的利用效率。基地还配套有特色农产品,种植业产生的初级农产品直接进入加工中心,大大减少了产品的损耗,实现了产品增值。目前,先有两条生产线已经启用,一条是即食玉米等软罐头生产线,另一条是速冻玉米棒等速冻产品生产线。建立结构优化模型,考虑到设施蔬菜种类繁多,且种植种类多随着市场需求变动性较大,将其单独作为一个大类,假设每种作物种植模式对应的种植面积决策变量为X1i,畜禽存养量决策变量为X2j,首先需要获得目标函数中各项经济目标函数系数,具体如表1所示。每种模式下单位面积土地提供畜禽草料能力的家畜标准单位如表2所示,设施蔬菜由于其秸秆产量低且难于收集,故暂不计算其秸秆载畜量。每种模式下单位面积土地消纳畜禽粪便能力的家畜标准单位如表3所示,其中设施蔬菜按照1年2季估算。建立优化模型的目标函数如下:根据基地建设的实际条件,建立约束条件:(1)基地初定100公顷标准无公害特色作物种植和30公顷无公害设施蔬菜种植,因此:(2)根据农产品加工厂对鲜食玉米加工的需求量确定玉米种植面积的下限约束为:(3)根据农产品加工厂对鲜食甘薯加工的需求量确定甘薯种植面积的下限约束为:(4)根据农产品加工厂对鲜食毛豆加工的需求量确定毛豆种植面积的下限约束为:(4)根据最小社会需求量确定设施蔬菜种植面积的下限约束为:(5)由规模化养殖对猪厂存栏量的约束确定猪只存养量的下限为:(6)由规模化养殖对羊厂存栏量的约束确定羊只存养量的下限为:(7)生态平衡约束:基于家畜单位的作物秸秆载畜量要小于羊场规模,才能保证秸秆在养殖环节全部消纳。基于环境承载力考虑,家畜单位的作物农田纳畜量必须大于猪场和羊场存养总量才能保证畜禽粪便全部被农田消纳,考虑到猪单位与标准羊单位的折算,取一头猪等于1.5头羊,即折算系数为1.5。由此构建起农牧结合多目标优化模型,进一步求解。目前多目标规划模型解法主要有线性加权法、两阶段法和情景模型法,但都需要人的主观参与来确定目标的权重,不同的人将可能做出不同的决策。研究采用基于理想点的一种新的多目标规划两阶段方法,首先分别以纯收入、秸秆载畜量、农田纳畜量为目标,求解三个单目标规划问题,得到三个单目标规划问题的最有目标值F1*,F2*,F3*,再构造如下单目标函数的规划问题,在同一约束条件下求解即可得到多目标优化的最优解。此规划模型中目标函数的意义为在约束条件下,使纯收入、秸秆载畜量、农田纳畜量目标分别尽可能地接近或达到最大目标函数值。5模型求解结果用Matlab编写程序用理想点法求解上述多目标规划问题:规划问题1:最优值目标值(纯收入)为6857000元。此时秸秆载畜量为9390羊单位,农田纳畜量为11466羊单位。规划问题2:最优值目标值(秸秆载畜量)9390为羊单位。此时纯收入为6761000元,农田纳畜量为11466羊单位。规划问题3:最优值目标值(农田纳畜)11946为羊单位。此时纯收入为6071000元,秸秆载畜量为8190羊单位。基于理想点的多目标规划求解方法的几何意义为三维欧氏空间,求(X11,X12,X13,X14,X21,X22)使得对应点(F1,F2,F3)与点(F1*,F2*,F3*)的距离最小。而距离的计算与坐标的刻度有关,纯收入的数量级为“百万”,而秸秆载畜量为“千”,农田纳畜量的数量级为“万”。因此在求解规划问题4时,将纯收入目标函数系数和目标值除以10,统一到“万”数量级,得到结果如下:规划问题4:此时纯收入为6834962元,秸秆载畜量为9272羊单位,农田纳畜量为11508羊单位,模型优化结果如表4所示。经过结构优化可以看出,玉米为主的地位并未改变,适当增加甘薯和花生种植面积,不但具有较好的经济效益,而且能为